范雨辰 郭才福 林毅俊 徐凌峰
摘 要: 提出了一種電力光纖實時監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)電力光纖環(huán)網(wǎng)的特點進行設(shè)計,結(jié)合OTDR技術(shù)和GPRS技術(shù),實現(xiàn)對光纖的實時監(jiān)測。當光纖有故障發(fā)生時,第一時間向工作人員發(fā)送報警短信,同時在網(wǎng)站地圖上顯示故障點位置。實驗證明,該系統(tǒng)能在20秒內(nèi)完成對光纖故障點定位,發(fā)送報警短信,以及在地圖上顯示故障點位置等操作,具有較強的實用性。
關(guān)鍵詞: 光纖監(jiān)測; 電力環(huán)網(wǎng); OTDR; GPRS
中圖分類號:TN929.11 文獻標志碼:A 文章編號:1006-8228(2014)08-14-03
Design of real-time monitoring system for electric power optical fiber
Fan Yuchen1, Guo Caifu2, Lin Yijun2, Xu Lingfeng2
(1. School of Computer Science and Technology, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou, Zhejiang 310018, China;
2. Power supply Branch Company of State Grid Corporation of China in Wenling city of Zhejiang province)
Abstract: A real-time monitoring system for electric power optical fiber is realized. The system is designed according to the characteristics of electric power optical fiber ring network, combined with OTDR technology and GPRS technology, realizing real-time monitoring for optical fiber. When a fault occurs, the system will send an alarm message to the staff and display the location of the fault on the site map immediately. The experimental results show that the system can locate the fault, send messages and display the fault location on the map in 20 seconds. The system has a certain practicality.
Key words: optical fiber monitoring; electric power ring network; OTDR; GPRS
0 引言
在電力系統(tǒng)中,光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性是電力系統(tǒng)生產(chǎn)安全、正常運行的重要保障。由于光纖網(wǎng)絡(luò)線路的通信容量大,一旦發(fā)生故障,就會嚴重影響正常通信,因此障礙的修復必須爭分奪秒。
傳統(tǒng)的光纖維護方式是采用人工方式進行的。當傳輸系統(tǒng)收無光時,業(yè)務設(shè)備發(fā)出故障告警,工作人員到現(xiàn)場通過光時域反射儀(OTDR)等設(shè)備測量出故障點位置,再到相應地點進行維修[1]。這種方式耗時較長,并且比較被動。針對上述問題,本文設(shè)計了一套光纖實時監(jiān)測系統(tǒng),對光纖線路進行主動監(jiān)測,當有故障發(fā)生時第一時間向工作人員發(fā)送報警短信,并在網(wǎng)站地圖上顯示故障點位置,方便工作人員查看。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)主要由以下部分組成:主控模塊,光通信模塊,OTDR光纖測距模塊,光路切換模塊,以太網(wǎng)通信模塊,GPRS短信發(fā)送模塊和遠端Web服務器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主控模塊是整個系統(tǒng)的核心,控制并協(xié)調(diào)其他模塊的工作。光通信模塊負責在光纖中傳輸數(shù)據(jù)。OTDR光纖測距模塊對故障光纖進行測量并返回故障點信息。光路切換模塊使光路在光通信模塊和OTDR光纖測距模塊間進行切換。以太網(wǎng)通信模塊負責系統(tǒng)和遠端服務器的通信。GPRS短信發(fā)送模塊向工作人員發(fā)送報警短信。遠端Web服務器部署在總局機房,在服務器上搭建了整個系統(tǒng)的網(wǎng)站界面,結(jié)合webGIS技術(shù),將電力光纖實際布線情況直觀地體現(xiàn)到網(wǎng)站地圖上,當某段光纖發(fā)生故障時,地圖上會顯示故障點位置。
1.2 監(jiān)測實施方式設(shè)計
光纖實時監(jiān)測系統(tǒng)按照監(jiān)測實施方式的不同,可以分為OTDR輪詢監(jiān)測,光功率監(jiān)測和業(yè)務設(shè)備告警監(jiān)測[2]。在監(jiān)測實施方式上,本系統(tǒng)采用自身集成的光通信模塊,在光通信模塊上傳輸數(shù)據(jù),通過檢測傳輸數(shù)據(jù)的誤碼率來判斷光纖狀況,實現(xiàn)對光纖線路的監(jiān)測。當誤碼率到達閾值時說明光纖線路有故障產(chǎn)生,這種方法不需要光功率計等設(shè)備,也不需要從業(yè)務設(shè)備中接出告警信號,保證了系統(tǒng)的獨立性,降低了系統(tǒng)成本。
1.3 監(jiān)測對象設(shè)計
光纖實時監(jiān)測系統(tǒng)按照監(jiān)測對象的不同,可以分為備纖監(jiān)測和在線監(jiān)測[2]。在監(jiān)測對象上,為了節(jié)約成本,同時因為本系統(tǒng)所部署的光纖網(wǎng)絡(luò)有一條備纖,在有光纖富余的情況下,結(jié)合實際情況,本系統(tǒng)采用備纖監(jiān)測,不需要對原有線路進行改造,也不需要額外增加波分復用器,濾光器等器件,避免了對業(yè)務設(shè)備信號傳輸產(chǎn)生影響,同時降低了系統(tǒng)成本,保證了系統(tǒng)的便捷性。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 主控模塊
主控模塊包括ARM處理器和CPLD芯片。
⑴ ARM處理器選用ST公司的STM32F103RBT6,這是一款高性能的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器[3]。在本系統(tǒng)中,ARM處理器主要完成以下工作:控制CPLD芯片通過光通信模塊在光纖中傳輸數(shù)據(jù),檢測誤碼率;控制OTDR光纖測距模塊對光纖進行測量,并接收返回的光纖故障點信息;控制光路切換模塊切換光路;控制以太網(wǎng)通信模塊與遠端服務器通信;控制GPRS短信發(fā)送模塊給工作人員發(fā)送報警短信。
⑵ CPLD芯片選用ALTERA公司的MAX II系列EPM240T100C5N,它采用新的查表(LUT)體系,具有瞬態(tài)啟動、非易失性和易用性等優(yōu)點[4]。該芯片的主時鐘為50MHz,通過對它進行分頻處理,能夠獲得不同波形脈沖信號,通過光通信模塊,使信號在光纖中傳輸。
2.2 光通信模塊
光通信模塊選用1×9引腳封裝TTL電平光收發(fā)一體模塊。該模塊有TX和RX兩個光接口。該模塊接口電平為標準TTL電平,能夠和CPLD輸出的TTL電平很好的兼容。其典型應用電路如圖2所示。ARM處理器將數(shù)據(jù)發(fā)送給CPLD,CPLD將接收到的數(shù)據(jù)進行編碼處理,發(fā)送給光模塊的TD+引腳,該信號經(jīng)過光纖傳輸后到達另一端光模塊,CPLD從RD+引腳提取出信號后進行解碼處理,再將數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM處理器,ARM處理器通過計算接收到的數(shù)據(jù)誤碼率來判斷光纖狀況。同時,該模塊還提供了收無光告警信號SD,當RX接口接收不到光時,該引腳電平會從高電平變?yōu)榈碗娖剑撔盘栆材茏鳛楣饫w產(chǎn)生故障的依據(jù)。
2.3 光路切換模塊
光路切換模塊選用1×2機械式光開關(guān)。其原理圖如圖3所示。該光開關(guān)為2×5雙列直插引腳封裝,通過控制引腳1和引腳10的電平高低能使光路在1--2和1--3之間進行切換。在本系統(tǒng)中,備纖接圖3中的port1,光通信模塊接port2,OTDR光纖測距模塊接port3。正常情況下時,光路1--2導通,通過光通信模塊在光纖中傳輸數(shù)據(jù)。當產(chǎn)生故障告警時,光路切換至1--3這路,開啟OTDR對光纖線路進行測量。
2.4 GPRS短信發(fā)送模塊
GPRS短信發(fā)送模塊選用華為的EM310模塊,EM310是一款GSM/GPRS雙頻無線模塊,支持EGSM900和GSM1800雙頻,提供數(shù)據(jù)、語音、短信、傳真功能。其外圍電路如圖4所示,主要包括網(wǎng)絡(luò)指示燈電路、啟動電路、復位電路。網(wǎng)絡(luò)指示燈以不同的閃爍頻率來指示模塊的工作狀況:開機、注冊網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送數(shù)據(jù)等。啟動電路和復位電路接ARM處理器的通用I/O口,ARM處理器給啟動端一個大于50ms的低電平可以啟動模塊,給復位端一個50ms的低電平即可使模塊復位[5]。本系統(tǒng)利用GPRS網(wǎng)絡(luò)短信作為報警方式,當所監(jiān)測光纖段發(fā)生故障時,將故障點位置,故障點類型,故障發(fā)生基站等信息發(fā)送至指定工作人員手機。
2.5 以太網(wǎng)通信模塊
以太網(wǎng)通信模塊選用ENC28J60以太網(wǎng)控制器。其原理圖如圖5所示。該模塊通過8個引腳與外部電路相連,這8個引腳分別是:GND、RST、MISO、SCK、MOSI、INT、CS和V3.3。其中GND和V3.3用于給模塊供電,MISO/MOSI/SCK用于SPI通信,CS是片選信號,INT為中斷輸出引腳,RST為模塊復位信號。本系統(tǒng)通過ENC28J60以太網(wǎng)控制器和LWIP以太網(wǎng)協(xié)議棧實現(xiàn)與遠端服務器的通信。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計,以提高軟件的工作效率。系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的功能包括:控制光模塊在光纖中傳輸數(shù)據(jù),檢測數(shù)據(jù)傳輸誤碼率;控制OTDR測量光纖;控制EM310模塊發(fā)送短信;控制ENC28J60以太網(wǎng)控制器與遠端服務器通信等。系統(tǒng)總體流程圖如圖6所示。
[否][否][是][系統(tǒng)初始化][開始][誤碼率是否達到閾值?] [是][結(jié)束][光通信模塊傳輸數(shù)據(jù)][是否繼續(xù)監(jiān)測?] [光路切換模塊切換光路][開啟OTDR測量光纖][向工作人員發(fā)送短信][網(wǎng)站地圖顯示故障點位置]
圖6 系統(tǒng)總體流程圖
系統(tǒng)工作流程示意圖如圖7所示,以在基站A和基站B分別部署一套設(shè)備為例,正常情況下,基站A設(shè)備的光路切換模塊置于光通信模塊一路,基站A將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站B。當基站B設(shè)備的光通信模塊產(chǎn)生收無光報警,或主控模塊監(jiān)測到傳輸數(shù)據(jù)誤碼率達到閾值時,說明光纖線路產(chǎn)生故障,基站B設(shè)備的主控模塊通過以太網(wǎng)向安裝在總局機房的服務器報警。服務器接到報警后,向基站A設(shè)備發(fā)送相關(guān)指令?;続設(shè)備的主控模塊收到指令后,首先操作光路切換模塊,將光路從光模塊這路切換至OTDR這路,接著開啟OTDR對光纖線路進行測量。OTDR測量得到故障點距離,將故障信息返回給主控模塊,主控模塊對信息進行處理后,控制EM310模塊向工作人員發(fā)送報警短信,并將相關(guān)信息上報至服務器,服務器在地圖上顯示故障點位置。
4 結(jié)束語
本文設(shè)計了一套電力光纖實時監(jiān)測系統(tǒng),從系統(tǒng)總體設(shè)計,系統(tǒng)硬件設(shè)計,系統(tǒng)軟件設(shè)計等方面進行了闡述。該系統(tǒng)不需要對原有線路進行改造,也不需要從業(yè)務設(shè)備中接出告警信號,只需一根備纖,就能對光纖進行實時監(jiān)測,保證了系統(tǒng)的獨立性和便捷性。當有故障發(fā)生時,系統(tǒng)第一時間向工作人員發(fā)送報警短信,并在網(wǎng)站地圖上顯示故障點位置,達到壓縮故障歷時,減輕維護人員工作負擔的目的。該系統(tǒng)采用備纖監(jiān)測,適用于光纖資源比較豐富的通信網(wǎng)絡(luò)。對于如何在光纖資源緊張或沒有備纖的情況下使用該系統(tǒng),仍然是將來需要研究的問題。
參考文獻:
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